Itsenäiset ja integroitavat siniset galvo-laseri-järjestelmät

Sinisten galvo-kaiverruslaseri-järjestelmien käyttökohteet

Sinisiä galvo-kaiverruslaseri-järjestelmiä käytetään laajasti eri teollisuudenaloilla. Nopea materiaalinkäsittely on yleistä etenkin teollisissa sovelluksissa, mutta näitä järjestelmiä hyödynnetään myös maataloudessa, lääketieteessä ja tutkimuksessa. Käyttökohteiden määrä kasvaa vuosittain. Suosittuja sovelluksia ovat mm. elintarvikkeiden, hedelmien ja vihannesten merkinnät; kasvien, viljelykasvien ja rikkakasvien laserkäsittely; puun, keramiikan, muovien ja metallien kaiverrus;

Sinisen galvo-laserin edut yksityiskohtaisesti

Toisin kuin muut galvo-kaiverruslaserin tyypit, sininen galvo-kaiverruslaseri (eli galvo-kaiverruslaseri, jonka lasersädemoduulin aallonpituus on 445 nm – 450 nm) tarjoaa ylivoimaista tarkkuutta ja prosessitehokkuutta. Kaiverrusprosessin tehokkuus missä tahansa galvo-kaiverruslaserissa riippuu kahdesta pääparametristä:

1. Galvo-kaiverruslaserin sähkö-optisen hyötysuhde.

Tämä ensimmäinen parametri kuvaa, kuinka paljon sähkötehoa galvo-laaser tarvitsee tuottaakseen tietyn määrän optista tehoa.

Sekä siniset galvo-laserit että kuitu-galvo-laserit saavuttavat vastaavan sähkö-optisen hyötysuhteen (25–30 %), kun taas CO2-galvo-laserilla hyötysuhde on vain 6–7 %. Vielä olennaisempaa on, että tämä 6,5 % hyötysuhde koskee vain CO2-laserputken hyötysuhdetta, eikä se sisällä sähkönkulutusta, jonka CO2-laserputken jäähdytin vaatii. Käytännössä CO2-laserin hyötysuhde on siis vieläkin alhaisempi.

Tyypillisen CO2-galvo-laserin jäähdyttimen COP (jäähdyttimen suorituskykyluku) on 3–5. COP kertoo hukkalämmön ja jäähdyttimen sähkönkulutuksen välisen suhteen. 6,5% hyötysuhteella tämä tarkoittaa, että 3 000 W (3 kW) sähkötehoa kuluttava CO2-galvo-laser tuottaa 195 W optista (lasertehoa). 2805 W sähkötehoa muuttuu hukkalämmöksi, joka täytyy poistaa jäähdyttimellä. COP-arvolla 3–5 3 kW CO2-laserin jäähdytin kuluttaa vielä 935 W – 561 W lisää. Näin laskettuna CO2-galvo-laserin kokonais sähkö-optinen hyötysuhde on 4,96 % (=195/3935) ja 5,48 % (=195/3561) välillä.

Vertailuna kuitu-galvo-laserit ja siniset galvo-laserit saavuttavat kokonaishyötysuhteen 20–25 %.

Kun oletetaan 10 000 käyttötuntia ja sähkön hinta 0,24 $/kWh, yksi 200 W CO2-laser (kulutus 3935 W) kuluttaa sähköenergiaan 9 444 $ lisää. Saman jakson aikana 200 W sininen galvo-laserjärjestelmä kuluttaa ainoastaan 1 920–2 880 $ sähköä. Vastaavasti 50 W sininen galvo-laser kuluttaa vain 480–720 $ 10 000 käyttötunnin aikana. Kun käyttökustannukset huomioidaan, sinisen galvo-kaiverruslaserin käyttö tuotantolinjalla on selvästi kustannustehokkaampaa kuin CO2-galvo-laserin käyttö, vaikka CO2-laserin aallonpituuden absorptio tietylle materiaalille voi olla 40 % korkeampi. Käytännössä voidaan käyttää kahta (tai useampaa) sinistä galvo-kaiverruslaseria yhden CO2-galvo-laserin sijasta ja saavuttaa samalla sekä suurempi tuotantonopeus että säästöt.

2. Kaiverrettavan materiaalin absorptio galvo-laseriin aallonpituudella

Tämä toinen parametri kuvaa, kuinka paljon saapuvan lasersäteen tehosta absorboituu ja muuttuu hyödylliseksi työksi. Tämä vaihtelee materiaalin mukaan, mutta suurimmalla osalla materiaaleista sinisen galvo-laserin aallonpituus absorboituu paremmin kuin kuitu- tai CO2-galvo-lasereiden aallonpituudet.

Erityisen merkittävää tämä on keraameissa ja etenkin teknisissä keraameissa, kuten alumiinioksidi (Al₂O₃), boorikarbidi (B₄C), piikarbidissa (SiC), titaanidiboridi (TiB₂) ja volframkarbidi (WC). Teknisten keraamien kohdalla sinisen galvo-laserin aallonpituuden absorptio kasvaa eksponentiaalisesti lämpötilan noustessa. Käytännössä lähellä sulamispistettään 6H-SiC:n absorptio sinisen laserin aallonpituudella voi olla jopa 6000 kertaa suurempi kuin CO2-laserin aallonpituudella.

Galvo-laserin suorituskyky eri kaiverrussovelluksissa

Galvo-laserkaivertimet puulle ja puupohjaisille materiaaleille

Puun ja puupohjaisten materiaalien kohdalla sininen (445–450 nm) galvo-laserkaivertin tarjoaa parhaan suorituskyvyn. Tämä johtuu CO2-laserin merkittävästi korkeammista käyttökustannuksista, jotka tekevät siitä huomattavasti kalliimman ratkaisun käytössä. Kuitu-galvo-laserit ovat heikoimmin suoriutuvia tässä sovelluksessa matalan absorptiotason vuoksi.

Tapaustutkimus: galvo-laserkaiverrus vanerille, männyn puulle ja pyökille

Alla olevassa videossa 30 W sininen galvo-laserkaivertin kaivertaa vaneripalaa. Koko on 8 x 2 cm (3,15" x 0,8"), ja laserkaiverrus vaneriin tehdään noin yhdessä sekunnissa: Opt Lasersin sinisellä galvo-laserilla.

Sinisellä galvo-laserkaivertimella hyötysuhde on 20–25 %, ja tutkimusten mukaan sinisen 445–450 nm aallonpituuden absorptio on 68 % männyn puussa ja 73 % pyökissä. CO2-galvo-laserkaivertimen kokonaishyötysuhde on 5 % ja sen aallonpituuden absorptio samoilla materiaaleilla 85 % ja 88 %. Yksinkertainen laskelma osoittaa, että sininen galvo-laserkaivertin on noin 3,4 kertaa tehokkaampi kuin CO2-galvo-laser samalla teholla. Alla oleva graafi: absorptiotasot näille materiaaleille.

Galvo-laserkaivertimet nahalle

Nahan laserkaiverrus on tehokkainta, kun se tehdään sinisellä galvo-laserkaivertimella. CO2-galvo-laserilla kaiverrus jättää palamisjälkiä, on paljon hitaampaa ja kalliimpaa. 1,06 µm kuitu-galvo-laserilla suoritettu kaiverrus on heikoin, koska 80 % sen lasersäteestä heijastuu nahan pinnasta.

Tapaustutkimus: galvo-laserkaiverrus nahalle

Alla olevasta videosta näet, kuinka 30 W sininen galvo-laserkaivertin kaivertaa nahan sekunnissa.

Tutkimuksessa on osoitettu, että sinilaserin (445 nm) aallonpituuden heijastuminen on 12 % ja 1,06 µm kuitulaser-säteen kohdalla noin 62 %. Koska sininen lasersäde on selvästi näkyvä ihmisen silmälle, se tarkoittaa, että absorptio nahassa on 88 %. Enimmillään vain 38 % 1,06 µm kuitulaserin energiasta voidaan absorboida nahkaan, mikä varmistaa että 1,06 µm kuitu-galvo-laserkaivertimen suorituskyky nahkakaiverruksessa on aina heikompi. Itse asiassa kaikki laserit, joiden aallonpituus on pidempi kuin 550 nm, toimivat nahkan kaiverruksessa heikommin kuin sininen laser.

Kuitu-galvo-laserit toimivat heikommin kuin sininen galvo-laser kaiverrettaessa suurinta osaa luonnollisista nisäkkäiden ja matelijoiden nahkatyypeistä. Näihin nahkatyyppeihin kuuluvat esimerkiksi sian, naudan, lampaan, liskon, käärmeen ja krokotiilin nahka. Vaikka kuitu-galvo-lasereilla on korkeampi aallonpituuden absorptioaste uusiokäsitellyssä nahassa ja hirvennahassa, ne voivat hirvennahkaa kaiverretaessa yltää vain sinisen galvo-laserkaivertimen tasolle.

Vaikka absorptio- (tai heijastus-)dataa yli 2,5 µm:n aallonpituuksista ei ole saatavilla, voidaan olettaa, että pidempien aallonpituuksien absorptiokäyttäytyminen noudattaa melaniinin absorptiota. Melaniini on luonnollinen pigmentti, jota esiintyy useimmissa eliöissä ja on ihon värin ensisijainen määrittäjä. Alla olevassa kuvassa nähdään, että melaniinin absorptio laskee kasvavan laserin aallonpituuden myötä. Lisäksi Cambridgen yliopiston melaniinia käsittelevän artikkelin mukaan, josta kyseinen kaavio on peräisin, absorptio melaniinissa vaimenee lähes kokonaan, kun aallonpituus ylittää 700 nm.

Galvo-laserkaivertimet metalleille

Metallit poikkeavat muista galvo-laserkaivertimien käyttökohteista, koska metalleilla on erittäin korkea lämmönjohtavuus. Tämän vuoksi metallimateriaalin tehokkaaseen kaivertamiseen tarvitaan joko erittäin tarkasti fokusoitu lasersäde, jolla on suuri tehointensiteetti, tai suuri pulssienergia. Lisäksi kaiverrettavan metallin on absorboitava voimakkaasti laserin aallonpituutta. Tämä tarkoittaa, että metallien kaiverrukseen tehokkaimpia laserjärjestelmiä ovat suurtehoiset siniset galvo-laserkaivertimet, pulssitetut kuitu-galvo-laserkaivertimet sekä suuren optisen tehointensiteetin omaavat siniset laserpäät. CO2-galvo-laserit ovat puolestaan erittäin tehottomia metallien kaiverruksessa.

Case study: galvo-laserkaiverrus metalleille

Kaksi alla olevaa videota esittelevät sinisen galvo-laserin merkkaamassa ruostumatonta terästä ja työkaluterästä.

Absorptioasteet vaihtelevat metallista toiseen alla olevan kaavion mukaisesti. Kaavio esittää aaltoalueen 200 nm–12,8 µm absorptioasteita tavanomaisimmille metalleille kuten kupari, kulta, titaani, (paljas) alumiini, nikkeli ja hopea.

Toinen alla oleva kaavio esittää erilaisten metallien heijastusasteita. Edellä esitettyjen materiaalien lisäksi kaaviossa on mukana myös esimerkiksi puhdas rauta, volframi, platina, kromi, beryllium ja molybdeeni. On kuitenkin huomioitava, että kyseinen heijastuskaavio esittää täydellisesti tasaispintaisten metallien käyttäytymistä, sillä mitä epätasaisempi pinta, sitä enemmän se absorboi lyhyempiä laserin aallonpituuksia.

Yllä esitetyistä kahden kaavion tiedoista seuraa, että sininen galvo-laser on tehokkaampi kuin pidempiaaltoiset galvo-laserit kaikkien edellä mainittujen metallien kaiverruksessa, lukuun ottamatta kromia. Metalleja, joiden kaiverruksessa sininen galvo-laser on kriittisesti tehokkaampi, ovat kulta, kupari, platina ja volframi. Mielenkiintoista kyllä, sininen galvo-laser ei ainoastaan kykene kaivertamaan kuparia, vaan voi myös suorittaa kuparin mikrohitsausta.

Kuitenkin paljaalla (ja täysin tasaisella) alumiinilla kuitu-galvo-laser, jonka aallonpituus on 500 nm – 900 nm, on tehokkaampi valinta. Sininen galvo-laser on silti tehokkaampi paljaalla alumiinilla kuin tavallisesti käytetty 1,06 µm kuitu-galvo-laser.

Volframin kaivertaminen sinisellä galvo-laserilla on erittäin tehokasta erityisesti silloin, kun volframin pinta ei ole sileä, kuten alla oikeanpuoleisessa kuvassa nähdään. Vasemmanpuoleisessa videossa 30 W:n sininen galvo-laserkaivertin kaivertaa volframia.

Galvo-laserkaivertimet kankaille ja tekstiileille

Tekstiilien ja kankaiden laserkäsittelyssä sininen galvo-laserkaivertin on myös parempi ratkaisu kuin muut galvo-laserkaiverrustuotteet. Tämä pätee sekä luonnon- että keinokuitukankaisiin. 1,06 µm kuitu-galvo-laserit kohtaavat vaikeuksia kankaiden kanssa, koska useimmat kankaat heijastavat kuitu-galvo-laserin aallonpituudet. Kankaiden ja tekstiilien kaivertaminen sekä leikkaaminen onnistuu myös CO2 galvo-laserilla, mutta prosessi on huomattavasti hitaampaa ja käyttökustannukset korkeammat kuin sinisellä galvo-laserilla.

Case study: galvo-laserkaiverrus kankaille ja tekstiileille

Alla oleva video esittelee 30 W sinisen galvo-laserin kaivertamassa puuvillakangasta, ja prosessi kestää vain murto-osan sekunnista.

Alla olevissa kahdessa kaaviossa nähdään eri kankaiden, kuten puuvilla, nailon, raion, polyesteri, akryyli, villa ja kashmir, aallonpituuksien heijastusasteet. Esitetty aallonpituusalue kattaa 350 nm – 2,35 µm. Sinisen galvo-laserin 450 nm:n aallonpituuden absorptioaste on 74–97 %, tyypillisesti noin 90 %.

On huomioitava, että kankaita ja tekstiilejä on saatavilla eri väreissä. Sininen galvo-laserkaivertin kaivertaa nopeammin sitä tummempi materiaali on. Kokonaisuudessaan sinisen laserin tapauksessa nopeuteen vaikuttavat kankaan tai tekstiilin sävy ja tummuus. Siniset laserit toimivat huonommin erittäin heijastavilla, sinisillä tai valkoisilla tekstiileillä ja kankailla. Siitä huolimatta sininen galvo-laser on paras ratkaisu kankaiden ja tekstiilien kaiverrukseen (ja leikkaukseen) ja on tehokkaampi kuin mikään CO2- tai kuitulaser.

Galvo-laserkaivertimet elintarvikkeille ja orgaanisille materiaaleille

Kuitu- ja CO2 galvo-laserit kohtaavat vaikeuksia elintarvikkeiden ja suurimman osan orgaanisten materiaalien kaiverruksessa. Tämä johtuu siitä, että elintarvikkeissa ja orgaanisissa materiaaleissa veden osuus on usein jopa 70 %. Vesi absorboi suuren osan laserspektristä, mutta päästää sinisen laserin aallonpituuden lähes täydellisesti lävitseen, sillä veden absorptiokerroin 450 nm:n aallonpituudella on 3*10^-4 cm-1. Kun taas 1,06 µm:n aallonpituudella absorptioaste on 6000 cm-1 ja 10,6 µm CO2-laservalon osalta jopa 7000000 cm-1. Tämä merkitsee, että käytännössä CO2- ja kuitulaserin teho kuluu lähes kokonaan veden haihduttamiseen, kun taas sininen laser jättää vedensisällön huomiotta ja kaivertaa varsinaiseen orgaaniseen materiaaliin, minkä ansiosta prosessi on huomattavasti nopeampi.

Lisäksi kasvilajit absorboivat hyvin sinisen galvo-lasersäteen. Sinisen galvo-laserin aallonpituuden absorptioaste vihreässä kasvustossa on jopa 93 %, kuten alla olevasta kaaviosta ilmenee.

On kuitenkin olemassa orgaanisia materiaaleja, joihin muut galvo-laserit soveltuvat hyvin. Esimerkkinä, hydroksyylapatiitti (joskus virheellisesti nimetty hydroksiapatiitiksi) on merkittävä osa hammaskiillettä. Hydroksyylapatiitti muodostaa myös hieman muunnetussa muodossa jopa 70 % ihmisluusta. Koska hydroksyylapatiitti absorboi paljon paremmin 10,6 µm CO2 galvo-lasersäteen aallonpituutta, on kyseinen galvo-laser tehokkain väline luun ja hampaan leikkauksessa sekä kaiverruksessa. Haemoglobiinin, hydroksyylapatiitin, melaniinin ja veden aallonpituusabsorptio näytetään alla olevassa kaaviossa, jossa nähdään, että 10,6 µm galvo-laserin aallonpituus absorboituu 10000 kertaa voimakkaammin kuin sinisen laserin aallonpituus.

Sama kaavio osoittaa kuitenkin myös, että haemoglobiini absorboi tehokkaimmin sinisen laserin aallonpituuden, mikä tarkoittaa, että sininen galvo-laser on optimaalinen ratkaisu kirurgisiin toimenpiteisiin.

Galvo-laserkaivertimet keramiikalle

Keramiikat-kategoriaan kuuluvat sekä valmistetut keraamiset materiaalit, kuten alumiinioksidi tai titaaniboridi, että luonnonkivilaadut kuten bauksiitti ja marmori.

Keramiikat reagoivat yleensä paremmin lyhyempiaaltoisiin lasereihin. Absorptioasteet vaihtelevat kuitenkin merkittävästi eri keraamisten materiaalien välillä, mutta sininen galvo-laser on paras ratkaisu teknisille keraameille, joita käytetään panssarikomponenteissa. Näihin kuuluu panssarikeramiikka panssarivaunuissa ja luotisuojaliiveissä. Eräät teknisistä keraameista, jotka absorboivat tehokkaasti sinistä laseria, ovat käytössä myös läpäisevissä ammuksissa ja tykistössä. Panssarikomponenttien teknisissä keraameissa sinisen galvo-laserin aallonpituuden absorptio kasvaa eksponentiaalisesti pidempään aallonpituuteen verrattuna lämpötilan noustessa. Näitä keraameja ovat Alumiinioksidi (Al2O3), Boronkarbidi (B4C), Piikarbidi (SiC), Titaaniboridi (TiB2) ja Volframkarbidi (WC).

Sulaneen alumiinioksidin tapauksessa absorptioaste kasvaa dramaattisesti lyhyemmillä aallonpituuksilla. Käytännössä sulaneen alumiinioksidin absorptio sinisen laserin aallonpituudella on jopa 300-kertainen kuitulaserin aallonpituuteen verrattuna, kuten alla olevasta kaaviosta ilmenee. [V.K. Bityukov et al., Absorption Coefficient of Molten Aluminum Oxide in Semitransparent Spectral Range, Applied Physics Research, Sivu 51, Vol. 5, Tammikuu 2013. DOI: 10.5539/APR.V5N1P51].

Muut galvo-laserkaivertintyypit kohtaavat useimmiten haasteita näiden materiaalien kanssa. Kuitu-galvo-laser, vaikkakin huomattavasti huonompi kuin sininen galvo-laser, toimii kuitenkin yleensä paremmin kuin CO2-galvo-laser, pois lukien alumiinioksidikeramiikka. Näillä teknisillä keraameilla sininen galvo-laserkaivertin kuitenkin kasvattaa tuotantotehokkuutta huomattavasti.

Alla oleva kaavio kuvaa eri galvo-laserien absorptioastetta piikarbidissa. On huomioitava, että jokainen 300 Kelvinin lämpötilan nousu vastaa noin 0,2 eV siirtymää absorptiossa kohti lyhyempiä aallonpituuksia.

Contact Us